AOTF的高光谱成像光谱仪的辐射定标技术

辐射定标的目的是确定各通道响应的线性和绝 对响应度，最终获取传感器数字输出值与来自辐射标 准源入瞳辐亮度绝对值的关系。光谱仪的灰度值与入 射的光谱辐亮度成近似的线性关系：
ＤＮｌ
Ｇｌ
Ｄｌ
ＤＮ ２
Ｇ２
Ｄ２
●
●
●
。‘（入）＋
（５）
●
●
●
●
●
●
ＤＮｉ
Ｇｊ
Ｄｊ
式中：Ｌ，（入）为第，等级的光谱辐射亮度；ＤⅣ；为在该固
ｐａｎｉｃｕｌ撕ｔｙ ｏｆ ｄｅＶｉｃｅ ｐｅ响丌ｎ蛐ｃｅ， ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｍｏｄ ｉｓ ｎｏｔ ｓｏｐｈｊｓｔｉｃａｔｅｄ ｙｅｔ， ａｎｄ ｍｅ
ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ 锄ｄ ｌｏｎｇ也ｍ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃａｌｉｂｍｔｉｏｎ ｔｅｃｌｌＩｌｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｎｏｔ ｒｎｅｅｔ ｍｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｔ１１ｅ
摘 要：基于声光可调谐滤波器（ＡＯＴＦ）的高光谱成像光谱仪不同于传统的成像光谱仪，它利用
声光调制的分光原理，在像面上得到空间信息和任意一个波段的光谱信息。但由于其分光原理和分光
器件自身性能的特殊性，辐射定标的方法尚不成熟，辐射定标技术的精度和长期稳定性不能满足遥感
应用的更高要求。结合ＡＯＴＦ高光谱成像光谱仪自身的性能和对辐射定标的要求，提出了基于探测器
ＤⅣ三Ｇ·￡（Ａ）＋Ｄ
（４）
式中：Ｇ是系统的增益系数，由辐射传递系数决定；光
决定。辐射定标只能得到灰度图像与光谱仪人瞳前的
万方数据
第２期
邢辉等：ＡＯＴＦ的高光谱成像光谱仪的辐射定标技术
辐射量之间的关系，因此，对获取的光谱信息则还需 要经过大气传输模型进行辐射校正才能得到目标地 物的真实光谱信息。
：壁咽 据预处理呻’，图ｌ为ＡＯＴＦ成像光谱仪的原理框图。 Ｈ卯盯印ｏｃ椭Ｊ ｉⅡｌａｇｉｎｇ ３ｐ啪仃ｏｍ种盯Ｈｏｓｔ∞ｍｐ嗽
Ｅ：堕■巡罂盟 焦平面上的目标源的辐照度强１为： （１） ４Ｆ’
式中：Ａ。为探测器像元面积；鬈Ｎ（ａ）为渐晕系数，它同 视场角ａ和系统，数有关；ｃｏｓ“ａ为像面照度随视场
角变化的一般表达式；１－。为光学系统透过率；，矽Ｄ
价值，但是引入辐射定标过程带来的误差，即不确定 度，受到定标仪器自身不确定度及定标过程中各环节 因素的影响Ｆ卅。由于定标过程中各项不确定度相互独 立，因此，合成不确定度可由公式（６）计算：
为系统的，数，，为系统焦距，Ｄ为人瞳直径。
成像光谱仪对地观测时的辐射传输如图２所示，
它将受到太阳的高度角、大气的透射率以及地物的反
射率等参数的影响。
Ｓｕｎ
ｌｍａｇｉｎｇ ａｐｅｃｔｒＯｍｃｔｃｆ
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ｌ ｃｏｎ仃０ｌ
ｌ
图ｌ ＡａＩＦ戚像光谱仪原理图
Ｆｉｇ．１蹦ｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａ啪ｏｆ ｍｅ ＡｃｒｒＦ ｉｍａｇｉｎｇ孵仃ｏｍｅｔｅｒ
图３基于标准探测器的辐射定标 Ｆｉｇ．３ ｌｂｄｉｏｍｅ仃ｉｃ ｃａｌｉｂｍｔｉ∞ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔ柚ｄａｒｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ
万方数据
图４成像光谱仪线性响应曲线 Ｆｉｇ．４ Ｌｉｎｅａｒ ｒｅｓｐｏｎ辩ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｃｒ
２．２辐射定标的不确定度分析 只有经过辐射定标后的成像光谱仪才具有应用
ｏｎ ｔｌｌｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｎｄ
ｄａｔａ ｐｆｅ—ｐ∞ｃｅｓｓ ａｌｇｏｒｉｍｍ ｗａｓ ｉ１１１ｐｒｏｖｅｄ， ａｎｄ ｔ１１ｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｍｄｉｏｍｅ砸ｃ ｃａｌｉｂｒａｔｉ咖 ｗａｓ ａＩｌａｌｙｚｅｄ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｍａｔ ｍｅ ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｃ卸价ｌｍｆｕｌｌｙ ｒｅｎｅｃｔ ｔ１１ｅ ｉｎｆｏ衄ａｔｉｏｎ ｏｆ 圉－ｏｕｎｄ ｏｂｊｅｃｔ，ａｎｄ ｅ行ｅｃｔｉＶｅｌｙ ｉｍｐｒｏＶｅ ｎｌｅ ｊｍ．ｏ咖ａｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｎｃａｔｉ伽ｓｔａｎｄ盯ｄ ｏｆ ｉｍａ酉ｎｇ ｓｐｅｃⅡｏｍｅｔｅｒ．
２ ＡｏＴＦ高光谱成像光谱仪的辐射定标
成像光谱仪输出的灰度图像与真实地物的辐射 亮度图像的对应关系受到仪器与环境等多种因素的 影响，而辐射定标的目的在于标定和扣除图像灰度值 中的非目标辐射因子，还原出真实景物的辐亮度图 像。辐射定标需要建立成像光谱仪入瞳处的光谱辐射 量与数字输出之间的关系。主要完成的工作是定标仪 器的辐射响应系数和线性度，并分析辐射定标的不确 定度。 ２．１成像光谱仪的辐射响应度和线性度定标
Ｉ枷ｍ∞ｔ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ
Ｓｃｉｅｎｃｅ锄ｄ ｏｐｔｏ－ｅｌｅｃｎＤｎｉｃｓ ＥｎｇｉＩｌｅｃｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ ＵＩｌｉＶｅ璐ｉ哆０ｆ
Ａｅｍｎａｕｔｉｃｓ舭ｄ Ａｓｔｒｏ删ｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９ｌ，Ｃｈ．ｍ）
Ａｂｓｔｒ龇ｔ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ仃ａｄｉｔｉｏｎａｌ ｉＩＩｌａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ， Ａｃｏｕｓｔｏ唧ｔｉｃ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｆｉｌ雠（ＡｏＴＦ）
的定标方法和改进的数据处理算法，并对辐射定标的精度进行了分析。实验结果表明：定标后的成像
光谱仪能够真实地反映地物目标的信息，有效地提高了成像光谱仪的信息定量化水平。
关键词：遥感； 辐射定标； 辐射标准传递； 成像光谱仪； ＡＯＴＦ
中图分类号：ＴＰ７２２．４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００７—２２７６（２００９）０２—０２０５—０５
１辐射定标的原理及其辐射传输
成像光谱仪是以图像像元的灰度记录地物信息， 其数值并不唯一地与地物辐射亮度相关，还与成像光 谱仪分光器件的性能、光电成像器件ＣＣＤ的性能以 及大气环境等因素有关。根据遥感探测器的辐射传递 方程可以分离出影响光电响应性能的因子。假设遥感 器在其瞬时视场内接收到来自目标景物的辐射亮度 为Ｌ。，在考虑，光学系统的各种损失后，ｃＣＤ探测器
第３８卷第２期 Ｖ０１．３８ Ｎｏ．２
红外与激光工程
Ｉｎ仔ａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００９年４月
Ａ”２００９
ＡＯＴＦ的高光谱成像光谱仪的辐射定标技术
邢辉，赵慧洁，程宣，张颖，周鹏威
（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院， 精密光机电一体化技术教育部重点实验室，北京１００１９１）
万方数据
２０６
红外与激光工程
第３８卷
Ｏ引言
伴随着遥感成像技术的发展，高光谱遥感实现了遥 感图像光谱分辨率的突破性提高。对于高光谱成像光潜 仪而言，分光系统是这项技术的关键，新型的分光元 件一一声光可调滤光器（ＡＯＴＦ）不同于通常的分光器 件，它采用声光调制产生单色光，即通过超声射频的变 化实现光谱扫描，其光学系统无移动部件、重现性好、扫 描速度快、波长切换快且可利用程序快速控制。这些优 点使它很适合作为航空高分辨率成像光谱仪的分光器 件，开展对地物的遥感探测。基于ＡＯＴＦ的高光谱成像 光谱仪系统主要分为两大部分：高光谱探测和主机的数
厶（Ａ）＿坐粤盟陬妒Ｌ。（”ｃ础＋‰（训（２）
求得探测器焦平面像元的辐照度后，可得到对应 像元灰度值ＤⅣ为：
Ｄ』ｖ＝Ｅｉ。尺ｃｃＤ。口Ｅ。ｆｉｎ
（３）
式中：尺ｃｃＤ为ＣＣＤ焦平面探测器的响应度；口。为 ＣＣＤ系统增益；ｆｉ。为积分时间。
根据公式（３）可得到成像光谱仪的图像灰度值与 入瞳的光谱辐射量之间的辐射传递函数：
定辐亮度下第ｆ波段图像的灰度值。辐射定标的最终结 果是通过连续改变标准光源的辐射亮度的等级来得到 定标系数矩阵Ｇ、Ｄ。通过线性衰减积分球外部光源的 辐照，改变积分球辐亮度值，在连续利用ＡＳＤ和成像
光谱仪得到一系列光谱辐亮度值和灰度值后进行最小 二乘曲线拟合，即可得到辐射定标系数矩阵嘲。
成像光谱仪的响应线性度是评价系统性能的重 要特性参数，定义为系统输入、输出信号的关系接近 线性的程度。图４所示为ＡＯＴＦ光谱仪６５０ ｎｍ处的 线性响应曲线。在确定定标系数的过程中，可建立光 谱辐射量与光谱仪的灰度输出值之间的曲线，通过线 性回归求出线性相关度，并能确定成像光谱仪的饱和 辐射响应度和响应的动态范围。
Ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡｏＴＦ
ＸＩＮＧ Ｈｕｉ，ＺＨＡＯ Ｈｕｉ－ｊｉｅ，ＣＨＥＮＧ Ｘｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｙｉｎｇ，ＺＨＯＵ Ｐｅｎｇ—ｗｅｉ
（Ｋｃｙ Ｌａｂｏｒａ呻ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ０ｐ￡ｏ．ｍｅｃｈａ泐ｍｃｓ蚴ｎｏｌｏｇｙ Ｓｐｏｎｓ删ｂｙ Ｍｉｌｌｉｓ蚵ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｊ伽，
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｒｅｍｏｔｅ∞ｎｓｉｎｇ； Ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ； Ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｓｔａｎｄａｒｄ ｔｒａＩｌｓｆｅｒ；
ＩｒＩｌａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ＡＯＴＦ
收稿日期：２００８一ｌＯ一２０； 修订日期：２００８一１２—２５ 基金项目：国家自然科学基金资助项甘（６０６７８０３０）；ＣＡＳＴ基金资助项目（ＣＡＳＴ２００８０２０１） 作者简介：邢辉（１９８ｌ一），男，山东青州人，博士生，主要从事遥感载荷定标方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｘｉｎｇｈｕｉ＠船ｐｅ．ｂｕａａ．ｃｄｕ．ｃｎ 导师简介：赵慧沽（１９６６＿），女，辽宁沈阳人，教授，博上生导师，主要从事高光谱遥感、光电测董方面的研究。Ｅｍ棚：ｈｊｚｈ∞＠ｂｕ勰．ｅｄｕ．ｃｎ
ｈｙｐｅｒｓｐｅｃⅡ．ａｌ ｉＩＩｌａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｆ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｔｌｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｏｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｔ ａｃｑｕｉｒｅｓ
ｓｐａｃｅ ａＩｌｄ ｓｐｅｃ仃ａｌ ｉＩｌ】ｆｂｍ撕ｏｎ ｏｆ ｅａｃｈ ｂａｎｄ ｏｎ ｉＩｎａｇｅ ｐｌａｎｅ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｌｉｇｈｔ ｓｐＵｔｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａＩｌｄ ｉｔｓ
图２成像光谱仪的辐射传输过程
ｓｐｅｃｔｒｏｍ她 Ｆｉｇ．２ Ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｏｃｅ踮ｏｆ ｉｍａ垂ｎｇ
图２中，丁。。（Ａ）为太阳一地物光程大气透过率， 丁艘（Ａ）为地物一光谱仪光程大气透过率，Ｅ（Ａ）为太阳 的光谱辐照度，ＥＤ（入）为半球天空亮度在地面形成的 辐照度，ｐ为太阳天顶角，ｐ（Ａ）为地物反射率，因此，成 像光谱仪入瞳处的光谱辐亮度ｋ（Ａ）为：
ｒｅｍｏ七ｓｅｎｓｉｔｌｇ ａｐｐＨｃａｔｉｏｎ．Ｂｙ ｃｏｍｂｉｌｌｉｎｇ ＡｏＴＦ ｈｙｐｅｒＳｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａ舀ｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ’ｓ ｃｈ黜ａｃｔｅｄｓｔｉｃｓ ａｎｄ
ｆｂｎｖ删ｂａｓｅｄ ｉｔｓ ｒｅｑｕ№ｍｅｎｔ ｏｎ ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，ａ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｌｌｏｄ ｗａｓ ｐｕｔ
成像光谱仪的发展为定量遥感理论的建立提供 了新的技术手段，但是从遥感的应用要求出发，数据 必须从定性的解释走向定量的计算，因此，建立成像 光谱仪相对于标准辐射源或标准探测器在量值、空 间、光谱和时间变化上的响应关系，就变得极其重要。 由于基于ＡｏＴＦ的成像光谱仪的分光原理和分光器 件自身性能的特殊性，以及对定标仪器分辨率的要 求，其定标的方法尚不成熟，针对ＡｏＴＦ成像光谱仪 的功能结构，提出了一种高精度的辐射定标方法，并 对辐射定标后的仪器进行了实验验证。
辐射定标通过标准传递来实现，它的所有标准都 要追溯到中国计量科学研究院的基准，即用较高级的 辐射标准逐级传递，直至待标定的传感器。
ＡＯＴＦ成像光谱仪需要采集的是高光谱数据，光 谱波段多、分辨率高，因此，选择具有高分辨率并且有 较高精度的标准探测器可完成对成像光谱仪的辐射 定标。所选用的标准探测器是美国分析光谱仪器公司 （ＡＳＤ）的非成像光谱仪，光谱范围涵盖３５０—２ ５００ ｎｍ， 光谱分辨率为３ ｎｍ，该光谱仪的辐射标准可以追溯 到美国的ＮＩＳＴ标准，其定标的不确定度小于２．５％， 适合对高分辨率的成像光谱仪在伞波段范围内进行 高精度的辐射定标。均匀的辐射光源选用Ｌａｂｓｐｈｅｒｅ 公司的积分球光源，其光源为一只外置和三只内置卤 钨灯组成，外置卤钨灯可连续改变积分球输出辐亮 度。四只灯同时点燃时输出一个辐射量均匀分布（出 口处不均匀性ｌ％）的漫反射光。具体的辐射定标装置 如图３所示卜５１。